Genômica comparativa e funcional para identificação de genes associados ao desenvolvimento estrobilar de cestódeos

Os cestódeos são os agentes etiológicos de doenças (cestodíases) que causam grave morbidade humana. Um aspecto interessante da biologia de cestódeos é a sua alta capacidade reprodutiva, que é essencial para a manutenção dos seus ciclos de vida. Cestódeos se reproduzem sexualmente por um processo chamado estrobilização, em vermes adultos. A estrobilização se dá através do crescimento seriado e contínuo de segmentos corporais (proglótides) contendo os órgãos sexuais, que podem ser fecundadas e liberar os ovos independentemente. Dessa forma, proteínas envolvidas na estrobilização representam interessantes alvos para fármacos anti-helmínticos, podendo interferir na capacidade reprodutiva desses animais para controle de sua transmissão. Porém, pouco se sabe sobre os mecanismos moleculares envolvidos na estrobilização. Nesse trabalho, foram utilizados métodos ômicos para identificação de genes associados ao desenvolvimento estrobilar de cestódeos, considerando aspectos de conservação evolutiva de sequências ou mecanismos de regulação da expressão gênica. Primeiramente, uma abordagem de genômica comparativa e funcional foi utilizada para a identificação de genes altamente conservados em cestódeos e ausentes em outros táxons evolutivamente relacionados. Foram evidenciados 34 genes relacionados à estrobilização, sendo 22 deles de função desconhecida (genes UF). Para avaliar o envolvimento de alguns dos genes UF na estrobilização, a segunda abordagem utilizada foi a análise por hibridização in situ de quatro genes UF em duas espécies-modelo de cestódeos, Hymenolepis microstoma e Mesocestoides corti. Dois genes tiveram sua associação à estrobilização corroborada, estando, possivelmente, envolvidos no amadurecimento de testículos. Adicionalmente, um gene foi identificado como potencialmente expresso em células indiferenciadas e outro gene possivelmente envolvido na modulação da resposta imune do hospedeiro. A terceira abordagem inclui transcritômica comparativa para a identificação de genes com o mesmo padrão de expressão diferencial em estágios não-estrobilados (larvas) e estrobilados (adultos) em ortólogos das três espécies de cestódeos (Echinococcus multilocularis, H. microstoma e M. corti). Foram identificados 84 grupos de ortólogos com padrão de expressão diferencial conservado, sendo 5 mais expressos em larvas e 79 mais expressos em adultos. Em seu conjunto, os resultados obtidos por meio das três abordagens utilizadas permitiram evidenciar diversos genes e vias metabólicas associados à estrobilização e sugerem que os mecanismos envolvidos na estrobilização derivaram de mecanismos ancestrais da segmentação de lofotrocozoários, com especialização para a execução de processos exclusivos de cestódeos. Foi identificada uma conservação evolutiva de, pelo menos, alguns mecanismos de regulação gênica entre as três espécies de cestódeos E. multilocularis, H. microstoma e M. corti, além da possível ocorrência de mecanismos de processamento pós-transcricionais ou pós-traducionais específicos das diferentes fases do desenvolvimento de cestódeos. Os estudos realizados destacam a importância de análises comparativas entre espécies relacionadas para a identificação de genes e mecanismos moleculares associados a processos de desenvolvimento como a estrobilização. Os dados gerados servirão de ponto de partida para estudos mais aprofundados sobre aspectos de Evo-Devo de cestódeos e, do ponto de vista aplicado, muitos dos genes associados à estrobilização poderão ser avaliados como alvos interessantes para o desenvolvimento de novos fármacos e tratamentos anti-helmínticos.Cestodes are the etiologic agents of some diseases (cestodiasis) that cause severe human morbidity. An interesting aspect of cestodes biology is the high reproductive capacity, which is essential for the maintenance of their life cycles. Adult cestodes reproduce sexually by a process called strobilation. Strobilation occurs through the serial and continuous growth of body segments (proglottids) containing the sexual organs, which can be independently fertilized and release eggs. Thus, proteins involved in strobilation are interesting targets for anthelmintic drugs, which may interfere in the reproductive capacity of these animals to control their transmission. However, little is known about the strobilation molecular mechanisms. In this work, omics methods were used to identify genes associated with the development mechanisms of strobilation through sequences evolutionary conservation or mechanisms of gene expression regulation analysis. First, comparative and functional genomics was used to identify highly conserved genes of cestodes that were absent in other evolutionarily related taxa. As a result, 34 strobilation related genes were found, being 22 of unknown function (UF genes). To assess the involvement of some UF genes in the strobilation, the second approach was the in situ hybridization analysis of four UF genes in two cestodes model species, Hymenolepis microstoma and Mesocestoides corti. Two genes had their association with strobilation corroborated, possibly being involved in the testicles maturation. In addition one UF gene is potentially expressed in undifferentiated cells and another UF gene is possibly involved in the host's immune response modulation. The third approach includes comparative transcriptomics to identify genes with the same pattern of differential expression in the orthologs of non-strobilated (larvae) and strobilated (adult) stages of three cestode species (Echinococcus multilocularis, H. microstoma and M. corti). Thus, we identified 84 groups of orthologs genes with conserved differential expression pattern, among these 5 are more expressed in larvae and 79 are more expressed in adults. Taken together, the results obtained with these three approaches show several genes and metabolic pathways associated with Strobilation. Also suggest that some mechanisms involved in strobilization were derived from lofotrocozoans segmentation ancestral ones, that were specialized to execute exclusive processes of cestode. It was also evidenced an evolutionary conservation of at least some gene regulation mechanisms among the three cestode species E. multilocularis, H. microstoma and M. corti. In addition, the possible occurrence of specific post-transcriptional or post-translational processing mechanisms specific of the different developmental stages of cestodes is shown. This work highlight the importance of comparative assessments between related species for the identification of genes and molecular mechanisms associated with developmental processes, such as strobilation. This results will serve as a starting point for more in-depth studies on Evo-Devo aspects of cestodes. From the applied point of view, many of the genes associated with strobilization can be evaluated as interesting targets for the development of new drugs and anthelmintic treatments

Estudo filogenômico do desenvolvimento estrobilar em platelmintos da classe cestoda

O Filo Platyhelminthes inclui todos os vermes achatados e contém quatro Classes: Turbellaria, Menogenea, Trematoda e Cestoda. A primeira é composta predominantemente por organismos de vida livre, a segunda por ectoparasitas e as Classes Trematoda e Cestoda são compostas por endoparasitas obrigatórios. Os cestódeos são agentes etiológicos de algumas das principais doenças de seres humanos e animais domésticos, apresentado complexos ciclos de vida que abrangem, pelo menos, dois hospedeiros. Entre as suas adaptações ao parasitismo, alguns cestódeos da Subclasse Eucestoda apresentam repetição seriada dos órgãos reprodutivos (metamerismo) e a segmentação externa destes (proglotização), apresentando, assim, uma enorme capacidade reprodutiva. Porém, pouco se sabe dos aspectos moleculares envolvidos na biologia do desenvolvimento desta estrutura corporal. O presente trabalho descreve as relações evolutivas entre organismos endoparasitas do Filo Platyhelminthes através de análise filogenômica, assim como a interrelação dos platelmintos com demais representantes do Superfilo Lophotrochozoa. Por meio da comparação de dados genômicos, transcritômicos e inferência funcional, este trabalho descreve um total de 34 proteínas associadas ao processo de proglotização, conservadas em platelmintos da Classe Cestoda. Entre estas proteínas, 12 estão relacionadas a processos de desenvolvimento, incluindo vias bem conhecidas como as vias de sinalização da wnt e do TGF-β/BMP. Adicionalmente, a identificação de 22 proteínas hipotéticas conservadas e a descrição de seus domínios, adiciona importantes alvos para o estudo da evolução deste processo de desenvolvimento na Classe Cestoda.The Phylum Platyhelminthes includes all flatworms and contains four classes: Turbellaria, Menogenea, Trematoda, and Cestoda. The first one is predominantly composed of free-living organisms, the second by ectoparasites and the Trematoda and Cestoda Classes are composed of obligatory endoparasites. The cestodes are etiologic agents of some of the major diseases of humans and domestic animals, and present complex life cycles that include at least two hosts. Among its adaptations to parasitism, some cestodes of Eucestoda Subclass have serial repetition of their reproductive organs (metamerism) and external segmentation of these (proglottisation), thus presenting an enormous reproductive capacity. However, little is known about the molecular aspects involved in the biology of development of this kind of body structure. This work describes the evolutionary relationships among endoparasite organisms from Phylum Platyhelminthes through phylogenomic analysis, as well as the interrelationship of flatworms with other species representing the Superphylum Lophotrochozoa. Through genomic data comparison, transcriptomic analysis and functional inference, this work describes a set of 34 proteins associated with the proglottisation process, preserved in flatworms Class Cestoda. Among these proteins, 12 are related to developmental processes, including well described pathways as the Wnt and TGF-β / BMP signaling pathways. Additionally, the identification of 22 conserved hypothetical proteins and the description of its domains adds important targets for the study of the proglottisation evolution in the Class Cestoda

Cestode strobilation: prediction of developmental genes and pathways

Background: Cestoda is a class of endoparasitic worms in the flatworm phylum (Platyhelminthes). During the course of their evolution cestodes have evolved some interesting aspects, such as their increased reproductive capacity. In this sense, they have serial repetition of their reproductive organs in the adult stage, which is often associated with external segmentation in a developmental process called strobilation. However, the molecular basis of strobilation is poorly understood. To assess this issue, an evolutionary comparative study among strobilated and non-strobilated flatworm species was conducted to identify genes and proteins related to the strobilation process. Results: We compared the genomic content of 10 parasitic platyhelminth species; five from cestode species, representing strobilated parasitic platyhelminths, and five from trematode species, representing non-strobilated parasitic platyhelminths. This dataset was used to identify 1813 genes with orthologues that are present in all cestode (strobilated) species, but absent from at least one trematode (non-strobilated) species. Development- related genes, along with genes of unknown function (UF), were then selected based on their transcriptional profiles, resulting in a total of 34 genes that were differentially expressed between the larval (pre-strobilation) and adult (strobilated) stages in at least one cestode species. These 34 genes were then assumed to be strobilation related; they included 12 encoding proteins of known function, with 6 related to the Wnt, TGF-β/BMP, or G-protein coupled receptor signaling pathways; and 22 encoding UF proteins. In order to assign function to at least some of the UF genes/proteins, a global gene co-expression analysis was performed for the cestode species Echinococcus multilocularis. This resulted in eight UF genes/proteins being predicted as related to developmental, reproductive, vesicle transport, or signaling processes. Conclusions: Overall, the described in silico data provided evidence of the involvement of 34 genes/proteins and at least 3 developmental pathways in the cestode strobilation process. These results highlight on the molecular mechanisms and evolution of the cestode strobilation process, and point to several interesting proteins as potential developmental markers and/or targets for the development of novel antihelminthic drugs

Estudo filogenômico do desenvolvimento estrobilar em platelmintos da classe cestoda

O Filo Platyhelminthes inclui todos os vermes achatados e contém quatro Classes: Turbellaria, Menogenea, Trematoda e Cestoda. A primeira é composta predominantemente por organismos de vida livre, a segunda por ectoparasitas e as Classes Trematoda e Cestoda são compostas por endoparasitas obrigatórios. Os cestódeos são agentes etiológicos de algumas das principais doenças de seres humanos e animais domésticos, apresentado complexos ciclos de vida que abrangem, pelo menos, dois hospedeiros. Entre as suas adaptações ao parasitismo, alguns cestódeos da Subclasse Eucestoda apresentam repetição seriada dos órgãos reprodutivos (metamerismo) e a segmentação externa destes (proglotização), apresentando, assim, uma enorme capacidade reprodutiva. Porém, pouco se sabe dos aspectos moleculares envolvidos na biologia do desenvolvimento desta estrutura corporal. O presente trabalho descreve as relações evolutivas entre organismos endoparasitas do Filo Platyhelminthes através de análise filogenômica, assim como a interrelação dos platelmintos com demais representantes do Superfilo Lophotrochozoa. Por meio da comparação de dados genômicos, transcritômicos e inferência funcional, este trabalho descreve um total de 34 proteínas associadas ao processo de proglotização, conservadas em platelmintos da Classe Cestoda. Entre estas proteínas, 12 estão relacionadas a processos de desenvolvimento, incluindo vias bem conhecidas como as vias de sinalização da wnt e do TGF-β/BMP. Adicionalmente, a identificação de 22 proteínas hipotéticas conservadas e a descrição de seus domínios, adiciona importantes alvos para o estudo da evolução deste processo de desenvolvimento na Classe Cestoda.The Phylum Platyhelminthes includes all flatworms and contains four classes: Turbellaria, Menogenea, Trematoda, and Cestoda. The first one is predominantly composed of free-living organisms, the second by ectoparasites and the Trematoda and Cestoda Classes are composed of obligatory endoparasites. The cestodes are etiologic agents of some of the major diseases of humans and domestic animals, and present complex life cycles that include at least two hosts. Among its adaptations to parasitism, some cestodes of Eucestoda Subclass have serial repetition of their reproductive organs (metamerism) and external segmentation of these (proglottisation), thus presenting an enormous reproductive capacity. However, little is known about the molecular aspects involved in the biology of development of this kind of body structure. This work describes the evolutionary relationships among endoparasite organisms from Phylum Platyhelminthes through phylogenomic analysis, as well as the interrelationship of flatworms with other species representing the Superphylum Lophotrochozoa. Through genomic data comparison, transcriptomic analysis and functional inference, this work describes a set of 34 proteins associated with the proglottisation process, preserved in flatworms Class Cestoda. Among these proteins, 12 are related to developmental processes, including well described pathways as the Wnt and TGF-β / BMP signaling pathways. Additionally, the identification of 22 conserved hypothetical proteins and the description of its domains adds important targets for the study of the proglottisation evolution in the Class Cestoda